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        統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)一體化發(fā)射指揮模式研究

        2023-09-27 08:30:32任月慧馬小龍馬宗瑞
        關(guān)鍵詞:微機(jī)控系統(tǒng)火箭

        任月慧,馬小龍,馬宗瑞,岳 瑋,魯 暢

        (北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

        0 引言

        當(dāng)前在型號(hào)中廣泛應(yīng)用的地面測發(fā)控系統(tǒng),在以太網(wǎng)技術(shù)成熟發(fā)展的基礎(chǔ)上,由傳統(tǒng)的近端地下室控制改為了遠(yuǎn)程控制模式,將地面設(shè)備分別部署在近端地下室和后端測發(fā)控大廳,前后端設(shè)備通過光纖連接大幅度提升了測發(fā)控系統(tǒng)的自動(dòng)化測試水平。但由于研制之初火箭各系統(tǒng)地面設(shè)備分開獨(dú)立研制配套,導(dǎo)致設(shè)備各系統(tǒng)定制化程度過高,因而系統(tǒng)的設(shè)備和規(guī)模龐大,參與測試與發(fā)射的崗位人員多,從而導(dǎo)致使用維護(hù)成本高[1]。

        運(yùn)載火箭統(tǒng)型地面測發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從頂層需求出發(fā),實(shí)現(xiàn)設(shè)備集成化、測試流程一體化、信息一體化的測發(fā)控系統(tǒng)。按照資源整合、簡化地面設(shè)備規(guī)模、提升信息應(yīng)用效率原則,采用設(shè)備模塊化,通過積木式組合和箭地接口適配更換以滿足不同型號(hào)地面測發(fā)控需求[2]。統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)利用云平臺(tái)技術(shù),將原分散的服務(wù)器、數(shù)據(jù)進(jìn)行資源整合和集中管理,為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭一體化發(fā)射指揮模式奠定了基礎(chǔ)。

        1 統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)技術(shù)體制

        統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)按照統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)體制、設(shè)備接口及產(chǎn)品狀態(tài)的原則,全面開展了通用化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中貫徹產(chǎn)品化思路,實(shí)現(xiàn)“系統(tǒng)功能模塊化、模塊設(shè)計(jì)通用化、型號(hào)使用菜單化”。在技術(shù)特征上可以歸納為“全箭統(tǒng)一測發(fā)控、統(tǒng)一供配電、射頻綜合、后端云平臺(tái)”。

        統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)按照功能可以劃分為5 個(gè)部分(見圖1),分別為供電子系統(tǒng)、有線測控子系統(tǒng)、無線測控子系統(tǒng)、數(shù)傳通信子系統(tǒng)以及測發(fā)控軟件子系統(tǒng)[3]。

        圖1 統(tǒng)型測發(fā)控功能劃分示意Fig.1 The functional division of the ground test and launch control system

        地面供電主要是在地面測試和發(fā)射過程中為其他測發(fā)控設(shè)備以及箭上設(shè)備供電。

        有線測控主要是完成測試與發(fā)射控制中的供配電、關(guān)鍵地測參數(shù)采集以及發(fā)射流程的控制。

        無線測控主要是完成測試與發(fā)射控制中的遙測數(shù)據(jù)采集以及無線設(shè)備的供配電。

        數(shù)傳通信也叫總體網(wǎng),是連接測發(fā)控系統(tǒng)前后端設(shè)備的樞紐,用于發(fā)送后端測發(fā)控的指揮控制指令,接受前端的有線和無線數(shù)據(jù)。

        測發(fā)控軟件是根據(jù)測試與發(fā)控的流程,完成運(yùn)載火箭控制指令的發(fā)送、有線數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)和狀態(tài)量的處理及存儲(chǔ)[4]。

        2 統(tǒng)型測發(fā)控指揮模式設(shè)計(jì)

        地面測發(fā)控系統(tǒng)從發(fā)射控制功能上分為指揮控制、數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分。地面測發(fā)控系統(tǒng)指揮控制作為火箭測試和發(fā)射的中心,是由前端地面設(shè)備和后端測發(fā)控大廳地面設(shè)備組成,完成對火箭各項(xiàng)測試以及發(fā)射控制。數(shù)據(jù)處理是在火箭分系統(tǒng)、總檢查測試和發(fā)射中實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù),為設(shè)計(jì)師系統(tǒng)的終端提供實(shí)時(shí)瀏覽各類信息以及事后數(shù)據(jù)回放處理的功能,用于事后數(shù)據(jù)分析和結(jié)果確認(rèn),為火箭狀態(tài)判斷提供決策支持[5-6]。

        按照擺放位置的不同,統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)可分為3部分:a)后端位于發(fā)射指揮大廳,根據(jù)火箭發(fā)射流程發(fā)送指揮命令給前端設(shè)備并接收前端設(shè)備反饋的狀態(tài)、有線數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù),然后實(shí)時(shí)顯示;b)前端一般位于火箭發(fā)射塔架附近或地下室,主要由有線測控和無線測控系統(tǒng)組成,接收后端測發(fā)控指令并輸出箭上供配電控制、有線數(shù)據(jù)采集、程序裝訂等動(dòng)作,將狀態(tài)量與采集結(jié)果發(fā)送到后端;c)通信線路主要完成程序裝訂、箭地間總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

        統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)組成見圖2。據(jù)此開展統(tǒng)型測發(fā)控一體化指揮控制方案設(shè)計(jì)。

        圖2 統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)組成Fig.2 Composition block of the ground test and launch control system

        2.1 一體化指揮控制方案

        運(yùn)載火箭指揮控制系統(tǒng)包括前端放置的有線測控設(shè)備、無線測控設(shè)備、指揮控制微機(jī)、數(shù)據(jù)監(jiān)測微機(jī)以及前后端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

        參與指揮控制微機(jī)包括一體化指揮控制微機(jī)、控制系統(tǒng)指揮控制微機(jī)、測量系統(tǒng)指揮控制微機(jī)、動(dòng)力系統(tǒng)指揮控制微機(jī)。

        指揮控制部分的信息流包括系統(tǒng)指揮口令下達(dá)、動(dòng)作指令通過后端傳送至前端設(shè)備、測試數(shù)據(jù)從前端設(shè)備回傳至后端,詳見圖3。

        圖3 指揮控制信息流示意Fig.3 Command and control flow chart

        在分系統(tǒng)測試階段,由各系統(tǒng)的指揮控制微機(jī)獨(dú)立完成指揮控制測試進(jìn)程,將測試信息傳到一體化集成的數(shù)據(jù)服務(wù)器上。各系統(tǒng)指揮控制軟件同時(shí)具備獨(dú)立操作的功能。

        火箭進(jìn)入總檢查和發(fā)射階段,一體化指揮微機(jī)接收基地C3I系統(tǒng)或火箭指揮發(fā)送的指揮口令,一體化指揮軟件按照指揮口令及預(yù)先配置的測控指令自動(dòng)向各系統(tǒng)前端設(shè)備發(fā)送控制指令,實(shí)現(xiàn)一體化指揮直接對前端設(shè)備的控制。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),為穩(wěn)妥可靠,鑒于控制系統(tǒng)指令在發(fā)射控制流程中的重要性,控制系統(tǒng)測試發(fā)射指令由一體化指揮控制微機(jī)發(fā)出,經(jīng)控制系統(tǒng)指揮控制微機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)至控制系統(tǒng)前端及箭上設(shè)備。例如,在點(diǎn)火時(shí)刻,一體化指揮控制微機(jī)發(fā)出點(diǎn)火指令后,控制系統(tǒng)指揮控制微機(jī)需要手動(dòng)確認(rèn),并轉(zhuǎn)發(fā)至前端完成火箭點(diǎn)火。

        在總檢查和發(fā)射階段,各系統(tǒng)的一體化指揮控制軟件界面為禁用狀態(tài),無法直接操作,但可對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

        正常測試發(fā)射過程中,前后端設(shè)備將測試進(jìn)程信息、測試數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和遙測數(shù)據(jù)發(fā)送到一體化數(shù)據(jù)服務(wù)器上并在數(shù)據(jù)監(jiān)測微機(jī)上顯示。

        當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),一體化指揮控制微機(jī)向各分系統(tǒng)指揮控制微機(jī)發(fā)送系統(tǒng)解鎖指令,各分系統(tǒng)指揮控制微機(jī)界面操作控件解鎖,分系統(tǒng)用戶可以操作進(jìn)行分系統(tǒng)測試或系統(tǒng)排除故障工作,通過各分系統(tǒng)軟件向前端設(shè)備發(fā)送控制指令。

        2.2 一體化指揮控制軟件研制

        原運(yùn)載火箭各系統(tǒng)分別采用各自獨(dú)立的地面測發(fā)控軟件,測試數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息分散在各系統(tǒng)內(nèi)部,給數(shù)據(jù)共享帶來很大難度。

        統(tǒng)型測發(fā)控軟件系統(tǒng)采用云平臺(tái)技術(shù)特有的分布開放式共享資源,按需獲取計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和信息服務(wù),可大幅提高計(jì)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析能力,改變了傳統(tǒng)以服務(wù)器和PC 為中心的應(yīng)用模式?;谠破脚_(tái)技術(shù)的運(yùn)行平臺(tái)構(gòu)建在高速傳輸前端與后端網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上,將后端服務(wù)器、工作站等計(jì)算機(jī)運(yùn)算資源一體化設(shè)計(jì)。取消各系統(tǒng)獨(dú)立的服務(wù)器和工作站,通過服務(wù)器組與磁盤陣列,采用虛擬化集成技術(shù)進(jìn)行運(yùn)算資源一體化設(shè)計(jì),同時(shí)采用“桌面云”技術(shù)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)瘦客戶機(jī)終端訪問服務(wù)。

        統(tǒng)型測發(fā)控軟件從功能上劃分,主要由一體化指揮軟件和數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件組成?;谠破脚_(tái)的應(yīng)用,一體化指揮軟件從型號(hào)頂層需求制定統(tǒng)一的測試流程,采用統(tǒng)一平臺(tái)構(gòu)建,通過一套平臺(tái)化軟件,實(shí)現(xiàn)了集多個(gè)傳統(tǒng)分系統(tǒng)的指揮控制、顯示、判讀、分析等功能于一體的目標(biāo)。一體化測發(fā)控軟件系統(tǒng)在功能上可代替現(xiàn)有的控制系統(tǒng)地面軟件,利用系統(tǒng)地面軟件、總體網(wǎng)系統(tǒng)地面軟件、動(dòng)力系統(tǒng)地面軟件,完成系統(tǒng)指揮流程調(diào)度、測發(fā)控邏輯控制、指揮指令發(fā)送以及參數(shù)信息接收顯示及轉(zhuǎn)發(fā)等工作。根據(jù)不同測試階段和項(xiàng)目,配置成不同的軟件界面,完成指定的測發(fā)控功能。

        一體化指揮控制軟件分為主控和副控。在主控軟件正常工作狀態(tài)下,副控軟件不發(fā)出控制指令。在主控軟件失效的情況下,副控軟件通過自動(dòng)切換接管控制權(quán)完成相應(yīng)的測控功能。

        數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測火箭箭上各系統(tǒng)及關(guān)鍵單機(jī)的狀態(tài),使設(shè)計(jì)人員減少重復(fù)、繁重的數(shù)據(jù)判讀以及故障分析和排查工作,避免了重復(fù)性的產(chǎn)品維護(hù),進(jìn)一步提高了運(yùn)載火箭測試、發(fā)射和產(chǎn)品維護(hù)效率。

        3 統(tǒng)型測發(fā)控一體化指揮控制優(yōu)化應(yīng)用

        目前火箭測發(fā)控系統(tǒng)后端各系統(tǒng)為獨(dú)立研制,數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一,設(shè)備規(guī)模龐大,維護(hù)與操作人員多,系統(tǒng)間溝通口令繁瑣[7]。國產(chǎn)化云平臺(tái)虛擬化技術(shù)在運(yùn)載火箭測試發(fā)射的應(yīng)用解決了上述問題,優(yōu)化了測試與發(fā)射操作人員人數(shù)及操作時(shí)間。

        統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)后端大廳布局見圖4。

        圖4 統(tǒng)型測發(fā)控后端發(fā)控大廳位置預(yù)示Fig.4 Location indication of the rear control hall

        指揮模式實(shí)際應(yīng)用為:

        a)后端大廳操作手優(yōu)化為一人,在總檢查和發(fā)射的測發(fā)控流程中保留各系統(tǒng)指揮,指揮控制參與人員包括火箭指揮、指揮控制軟件操作手、各系統(tǒng)指揮、各系統(tǒng)前端操作手、各系統(tǒng)箭上操作手;

        b)火箭指揮下達(dá)口令給一體化指揮控制軟件操作手及各系統(tǒng)指揮,軟件操作手完成原后端所有軟件及硬件操作;

        c)各系統(tǒng)指揮向前端及箭上操作手下達(dá)操作口令,同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件讀取關(guān)鍵信息,向火箭指揮匯報(bào)系統(tǒng)工作狀態(tài);

        d)火箭指揮根據(jù)指揮控制軟件操作手和各系統(tǒng)指揮回令進(jìn)入下一階段工作。

        在總檢查和發(fā)射過程中,后端大廳僅有指揮控制軟件操作手,其余人員均通過數(shù)據(jù)瀏覽終端完成火箭測試發(fā)射支持。

        4 未來一體化指揮模式

        隨著云平臺(tái)技術(shù)發(fā)展趨于成熟,云平臺(tái)通過虛擬化技術(shù)創(chuàng)造相對穩(wěn)定的高性能運(yùn)行環(huán)境,可有效避免軟件在中間服務(wù)軟件系統(tǒng)上實(shí)際運(yùn)行時(shí)因復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境帶來的不可靠性。

        同時(shí)數(shù)據(jù)處理具有強(qiáng)大的工作站和大容量物理內(nèi)存,并且有高速固態(tài)硬盤和高性能顯卡的支持,以滿足對數(shù)據(jù)在線處理顯示實(shí)時(shí)性的要求,進(jìn)一步提高故障自動(dòng)診斷效率,解放參試人員。

        因此一體化指揮控制軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)在云平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定后,一體化測試發(fā)射指揮控制取消各分系統(tǒng)指揮,火箭指揮下達(dá)口令給指揮控制軟件操作手、前端操作手和箭上操作手,各操作手完成動(dòng)作后回令。火箭指揮根據(jù)指揮控制軟件操作手回令和數(shù)據(jù)瀏覽監(jiān)測結(jié)果進(jìn)入下一步工作,進(jìn)一步縮減測試發(fā)射流程中參試人員的數(shù)量。

        通過遠(yuǎn)距離測發(fā)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),未來可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)控制中心對火箭的測試與發(fā)射控制。

        未來測發(fā)控指揮控制模式見圖5。

        圖5 未來測發(fā)控指揮控制模式Fig.5 Future command and control mode

        5 結(jié)束語

        統(tǒng)型測發(fā)控系統(tǒng)研制從頂層需求出發(fā),實(shí)現(xiàn)了全箭統(tǒng)一測發(fā)控、統(tǒng)一供配電、射頻綜合、后端云平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)了總檢查和發(fā)射指揮控制一體化,優(yōu)化了發(fā)射支持設(shè)計(jì)人員的參試時(shí)間,進(jìn)一步提高了測試效率,簡化了使用維護(hù),降低了保障難度,提升了現(xiàn)役液體運(yùn)載火箭測試發(fā)射能力。

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